나트륨 배터리 핵심소재 '하드카본'의 비밀, 75년 만에 풀렸다

나트륨 이온 배터리의 핵심 양극재인 '하드카본'이 원자 단위에서 어떻게 형성되는지 75년 만에 밝혀졌다.

28일(현지시간) 영국 옥스퍼드대학교 화학과 연구팀은 머신러닝 시뮬레이션을 통해 하드카본의 원자 단위 형성 과정을 규명했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '케미컬 사이언스'에 게재됐다.

하드카본은 리튬 이온 배터리의 대안으로 주목받는 나트륨 이온 배터리의 핵심 양극재다. 흑연과 달리 내부 탄소 구조가 불규칙하고 구부러져 있어 고온에서도 흑연으로 쉽게 변하지 않는 특성이 있다.

이러한 특성의 기원은 1950년대 로잘린 프랭클린의 연구 이후 수십 년간 과학계의 난제로 남아있었다.

연구팀은 하드카본의 전구체인 폴리염화비닐리덴(PVDC)이 열분해되는 과정을 머신러닝 기반 원자 시뮬레이션으로 분석했다. 이를 통해 원자들의 움직임을 추적하고 화학 결합이 끊어지고 형성되는 과정을 관찰했다.

시뮬레이션 결과, PVDC에서 수소와 염소 원자가 제거되면서 반응성이 높은 탄소 자리들이 생겨나 새로운 탄소-탄소 결합을 형성했다. 이 과정에서 흑연의 육각형 고리 구조뿐만 아니라, 오각형과 칠각형 고리 구조가 생성되는 것이 확인됐다.

연구팀은 이 오각형 및 칠각형 고리 구조가 축구공 표면의 오각형처럼 전체 탄소 네트워크에 곡률을 만들어, 흑연 특유의 평평하고 규칙적인 층 구조 형성을 방해한다고 설명했다.

논문의 제1 저자인 리통 우 연구원은 "이번 연구는 로잘린 프랭클린의 업적을 다시 조명할 수 있어 영광이었다"며 "현대의 계산 방법과 컴퓨팅 성능이 무엇을 가능하게 하는지 보여줬다"고 말했다.

이번 연구는 하드카본의 형성 원리를 밝혀, 향후 배터리 양극재의 구조와 전기화학적 특성을 연결하는 후속 연구의 발판이 될 것으로 기대된다.